基于主客观一致性分析的离合踏板舒适性研究

华猛，文兵，杨枫，王景兴，梅兴泰

(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州 511434)

0 引言

手动挡车型发动机与变速器动力的中断和连接主要通过离合器实现，驾驶员的操作通过离合踏板来完成，因此离合踏板的行程和力直接关乎驾驶员的操作舒适性。目前离合踏板的行程多基于前期的布置几何定义，踏板力多由供应商控制[1-6]，并未直接与驾驶员的舒适性关联起来。

文中以不同车系的离合踏板为研究对象，通过主观评价以及客观测量，分析驾驶员主观评分与踏板客观参数的对应关系，给出踏板参数的建议范围。

1 主观评价

此次采用基于权重因子的主观评价方法，选取符合一定正态分布规律的人体对离合踏板操作进行主观分析，评分结果作为踏板力与行程目标设定的依据。

1.1 基于权重因子的人机主观评价方法

人机主观评价中，评价者的身高、体重、性别对评价结果具有显著性影响[7]。因此，根据现有身高、体重、性别这3个因素在中国人群的实际分布比例，通过对评价小组的评分进行加权，可得到考虑了身高、体重、性别等因素的综合评分。

该方法所得的评分值用公式表达为

式中：F为综合评分值，是一个1×n的列向量；A为性别权重因子矩阵，是一级权重；B为身高权重因子矩阵，是二级权重；C为体重权重因子矩阵，为三级权重；fi为实际评分值。

1.2 评价人员选取

为保证评价结果的有效性，此次评价人员的选取综合考虑性别、驾龄和身高(涵盖5%，50%，95%百分位)3个因素，最终筛选人员共17人，其中男性13人，女性4人(人员信息分布见图1和图2)。

图1 离合踏板主观评价人员分布

图2 评价人员驾龄分布

1.3 评价车型

此次共选择9款车(如图3所示)，涵盖自主及合资产品，具体为自主：CS35(2016款)、帝豪 EC7(2016款)；韩系：起亚K3(2015款)；日系：卡罗拉(2016款)、轩逸(2016款)；美系：福克斯(2017款)、科鲁兹(2017款)、昂科拉(2017款)；德系：途安(2016款)。

图3 评价车型比例说明

如无特殊说明，文中所描述车型均为上述车型。

1.4 评价流程

评分采用10分制，分值说明见表1。

表1 主观评价得分说明

此次评价分为静态和动态。评价前先热车10 min，评价人员熟悉评价流程后上车，开车驾驶20 min后，原地踩踏离合，并按照要求填写问卷，对测试车型打分。

2 客观测量

踏板测试采用目前各主机厂通用的测试系统，具体结构及测试原理如下。

(1)测试系统组成

踏板力-行程测试系统由踏板力测量模块、踏板行程测量模块、数据采集模块、数据后处理模块组成(如图4所示)。

图4 踏板测试系统

(2)测试原理

踏板力传感器采用电阻应变式传感器，踏板行程轨迹测量原理为参数解算位移法，即系统采用相对量计算方法(测量前，系统自动清零)，故测试结果与传感器安装位置无关，仅需保证传感器布置平面与踏板轨迹平面一致即可。该方法测得的踏板轨迹比拉线测量准确，能够真实反映踏板轨迹。

如图5所示，踏板行程测量模块由一个角度传感器与一个直线位移传感器组成，可实时测量空间向量曲线数据。试验时，数据采集系统实时获得角度与位移变化量，并发送至数据后处理模块进行数据解算。

图5 踏板轨迹测量模块示意图

(3)测试方法

动态评价结束后，安装好测试设备，采集离合踏板的行程与力曲线(如图6所示)。每个踏板连续测试5次，选择特性稳定的曲线作为该次测量的最终测试结果并保存。

图6 离合踏板行程与力曲线(整个踏板的踩踏过程)

3 主客观一致性分析

3.1 主观参数分析

根据主观评价的评价人员的身高、体重二维正态分布，计算相应身高段、体重段的分布概率，同时考虑性别权重因子男∶女为3∶1，综合得出评价人员分别占中国人体分布的权重因子，经过归一化处理，计算此次评价人员的权重因子。表3、表4分别为此次评价的男、女权重因子表。

表3 男性权重因子表

表4 女性权重因子表

因此，每项的综合评分=0.75(0.143B1+0.188 5C3+0.175 14+……+0.043 0E3)+0.25(0.375c+0.625d)。可以得到离合踏板的主观评分结果(如表5所示)。

表5 主观评价得分表

3.2 客观参数分析

离合踏板特性参数[8]有自由行程、最大踏板力、分离行程、踏板行程、结合行程、熄火行程、调节行程、去程极小力以及回程极小力(如图7所示)。

图7 离合踏板力-行程曲线图

特性参数较多，因此需要结合主观评价结果，筛选对舒适性影响较大的参数。由图8可以看出，驾驶员主观感受较明显的几个参数为：

(1)自由行程；

(2)踏板总行程；

(3)结合行程；

(4)最大踏板力。

图8 离合踏板特性参数的主观感受度统计结果

因此选择上述4个参数作为离合踏板特性参数的设定对象，提取对应参数的实测数据如表6所示。

表6 特性参数数据汇总表

由表6可以看出：各车型的自由行程大致为0～15 mm；最大踏板力大部分在100 N以上，昂科拉力度较小，为66.5 N；踏板总行程为125～150 mm，结合行程在35～70 mm间均有分布。由于参数范围较大，如何进行舒适性匹配需结合主观评价结果进行分析。

3.3 主客观一致性分析

图9、图10分别为离合踏板行程以及踏板力的主观评价结果。从主观评价结果来看，CS35综合评分最高，因此选择CS35作为标杆车型，定义离合特性参数的主观目标值。即离合踏板行程主观评分目标设定为不小于7.8分，踏板力目标评分设定为不小于8分。

图9 离合踏板行程主观评分

图10 离合踏板力主观评分

以CS35作为标杆车，其自由行程为11.1 mm，最大踏板力为92.2 N，踏板总行程为136.1 mm，结合行程为50.8 mm。由图11可以看出，自由行程对应离合踏板的空行程，测试车型的行程范围为0～15 mm，CS35为11.1 mm，因此建议自由行程的目标设计范围为10～15 mm。

图11 离合踏板自由行程

离合踏板总行程不宜过长，过长使得驾驶员脚部需移动较远的距离，经常操作会产生疲劳。由图9和图12可以看出，科鲁兹的踏板总行程为149.8 mm，其评分仅为6.6，因此行程上限不宜过大，建议离合踏板总行程设计范围为125～136 mm。

图12 离合踏板总行程

结合行程为从开始松离合到动力完全接通整个过程中踏板的移动行程。行程过小，则很容易导致车辆熄火；行程过长则会导致脚踝疲劳，结合图13建议结合行程设计范围为35～45 mm。

图13 离合踏板结合行程

最大踏板力直接反应踏板的软硬程度，力度过大极易引起操作疲劳，由图10和图14可以看出，得分较高的几款车其最大踏板力均较小，但是力度过小操作时脚感较差，因此建议最大踏板力的设计范围为90～110 N。

图14 离合踏板最大踏板力

4 结论

为提升离合踏板的舒适性，选取了韩系、美系、日系、德系以及自主品牌的共计9款车，通过主观评价以及实车测试，提取了离合踏板的特性参数，对比主观评分以及实测参数，定义了特性参数的合适范围：

(1)自由行程：10～15 mm；

(2)踏板总行程：125～136 mm；

(3)结合行程：35～45 mm；

(4)最大踏板力：90～110 N。

此特性参数范围可以指导离合踏板的舒适性设计。